研究人员开发了一种芯片心脏病发作设备

南加州大学阿尔弗雷德·E·曼生物医学工程系的研究人员开发了一种“芯片心脏病发作”设备，该设备有朝一日可以作为开发新心脏药物甚至个性化药物的试验台。

“我们的设备在一个相对简单易用的系统中复制了心脏病发作的一些关键特征，”生物医学工程与干细胞生物学和再生医学副教授梅根麦凯恩说，他与博士后研究员梅根雷克西斯一起开发了该设备 -大厅。

“这使我们能够更清楚地了解心脏病发作后心脏的变化。从那里，我们和其他人可以开发和测试最有效地限制心脏病发作后可能发生的心脏组织进一步退化的药物，”麦凯恩补充道。

McCain 是一位“心脏组织工程师”，他之前的工作包括共同开发芯片上的心脏，而 Rexius-Hall 在最近发表在《科学进展》杂志上的一篇题为“心肌梗塞边界区-On-”的文章中详细介绍了他们的发现。 A-Chip 展示了氧梯度对心脏组织功能的独特调节。”

第一杀手

冠心病是的头号杀手。根据 AHA 的数据，2018 年有 360,900 名人死于心脏病，心脏病占所有死亡人数的 12.6%。严重的冠心病会导致心脏病发作，这是造成大部分疼痛和痛苦的原因。当冠状动脉中的脂肪、胆固醇和其他物质严重减少流向心脏部分的富氧血液时，就会发生心脏病发作。2005 年至 2014 年间，平均每年有 805,000 名人心脏病发作。

即使患者在心脏病发作后幸存下来，随着时间的推移，他们也会变得越来越疲劳、精力不足和生病;有些人甚至死于心力衰竭。那是因为心脏细胞不像其他肌肉细胞那样再生。相反，免疫细胞出现在受伤部位，其中一些可能是有害的。此外，疤痕的形成会削弱心脏及其泵血量。

然而，科学家们并不完全了解这个过程，尤其是心脏健康部位和受伤部位的心脏细胞如何相互交流，以及它们在心脏病发作后如何以及为什么会发生变化。

McCain 和 Rexius-Hall 相信他们对芯片的心脏病发作可以揭开这些谜团。

Rexius-Hall 说：“从根本上说，我们希望有一个模型可以更好地理解心脏病发作的损伤。”

芯片上的心脏病发作

芯片上的心脏病发作实际上是从头开始构建的。底部是一个 22 毫米 x 22 毫米见方的微流体装置，略大于四分之一——由一种叫做 PDMS 的类橡胶聚合物制成——在相对的两侧有两个通道，气体从中流过。上面是一层非常薄的相同橡胶材料，可以渗透氧气。然后在芯片顶部形成一层微蛋白质，“这样心脏细胞就会对齐并形成与我们心脏相同的结构，”麦凯恩说。最后，啮齿动物心脏细胞在蛋白质上生长。

为了模拟心脏病发作，含氧气体和不含氧气体通过微流体装置的每个通道释放，“将芯片上的心脏暴露在氧气梯度中，类似于心脏病发作时的真实情况，”McCain 说。

McCain 补充说，由于微流体设备体积小、清晰且易于在显微镜下看到，它还允许研究人员实时观察心脏有时在发作后发生的功能变化，包括心律失常或心律不齐，和收缩功能障碍，或心脏收缩强度下降。未来，研究人员可以通过添加免疫细胞或成纤维细胞(心脏病发作后产生疤痕的细胞)来使模型更加复杂。

相比之下，研究人员无法通过动物模型实时观察心脏组织的变化。此外，传统的细胞培养模型将心脏细胞均匀地暴露在高、中或低水平的氧气中，但不是梯度。Rexius-Hall 说，这意味着他们无法模拟心脏病发作后所谓边界区受损心脏细胞的真实情况。

McCain 补充说：设想我们的设备在不久的将来对患者的生活产生积极影响，特别是对于非常普遍的心脏病发作，这是非常令人兴奋和有益的。”

这篇论文的其他合著者包括南加州大学维特比博士 Natalie Khalil。生物医学工程专业的学生;Cedars-Sinai 医疗中心 Smidt 心脏研究所的 Sean Escopete 和 Sarah Parker;以及中国南方科技大学力学与航空航天工程系的 Xin Li、Jiayi Hu、Hongyan Yuan。

国家心肺血液研究所和心脏协会 (AHA) 支持这项研究。